FSHW | 基于纳米材料的益生菌包封技术及肠屏障修复机制研究进展

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Abstract

益生菌可参与多种生理活动，有利于身体健康。然而，它们的存活率和生物有效性易受胃肠道中的胃酸、胆汁盐和各种酶等影响。基于各种纳米材料的封装技术对益生菌有很好的保护潜力。我们从被包封益生菌的稳定性和生物活性、选择性黏附、靶向定植和释放及功效发挥等方面，讨论了基于纳米材料的新型封装技术。此外，我们还总结和分析了被包封益生菌与胃肠道的相互作用，尤其是被包封益生菌对肠道机械屏障、化学屏障、生物屏障和免疫屏障的调节机制。

文章简介

肠道屏障的完整性对我们的生存、健康和防御是至关重要的。肠黏膜被认为是外部环境与内部环境之间相互作用的最大表面。肠黏膜的复杂任务是充当半透性屏障，允许吸收营养和免疫感应，同时限制潜在有害抗原和微生物的运输。由于不当的饮食习惯，致肠屏障经常暴露于酒精、高脂、高糖等环境中，会对肠屏障造成不同程度的损害。肠道屏障结构的失衡可能引起肠道微环境中无法控制的免疫反应、微生物群不受限制的生长，从而导致包括肠道炎症性疾病、肠道外自身免疫性疾病（如类风湿性关节炎和多发性硬化）以及代谢疾病（如糖尿病和肥胖症）在内的多种疾病。肠屏障修复的方法可以归纳为修复肠道完整性、恢复黏膜层厚度、重建细菌稳态、平衡炎性因子这四种。肠道微生物群可以通过平衡肠道细菌稳态来修复肠屏障。同时，肠道共生菌可以通过在黏液层形成额外的保护层来完善肠道屏障，并与免疫系统和肠黏膜建立共生关系，将杂质、病原体和污染物等有害物质从内部环境中分离出来。肠道菌群也参与免疫应激，包括分泌抗菌肽和促进IL-10、IL-17和IL-22的生成。因此，肠道微生物群与宿主的相互作用在重建细菌稳态、免疫系统发育、成熟和维持肠屏障健康中发挥着关键作用。

肠道微生物根据其功能常划分为有益菌和有害菌。其中，给予足够数量的活菌会给宿主带来健康的被称为益生菌，如乳酸杆菌和双歧杆菌等。益生菌一方面通过增加有益细菌的数量、抑制有害细菌的生长、改善细菌群落的多样性来促进身体的防御系统；另一方面产生抗菌物质和酸性代谢物，防止致病菌在胃肠道的黏附和增殖。近年来，益生菌已成为全球关注的焦点，已被证明有助于治疗皮肤、口腔、胃肠道、阴道等疾病。然而，口服益生菌在进入条件复杂的胃肠道时，胃酸和胆汁盐会严重损害细菌。胃肠道得到持续性蠕动也会加速使益生菌从肠道中清除。一些肠道疾病的病理微环境（如IBD）中存在高浓度的活性氧（ROS），进入肠道的益生菌的脂质和蛋白质会受到ROS强烈的氧化作用，造成细胞壁损伤促发细菌程序死亡。此外，炎性肠黏膜屏障常受损严重，其黏液层的黏蛋白含量相对较少，口服益生菌进入肠道后不易在黏液层定植；部分细菌甚至可能通过肠屏障进入血液，增大细菌移位的风险。这些因素都会对口服益生菌在肠道内的定植及生物功效发挥产生不利影响，减弱益生菌对肠屏障的修复作用及对肠道疾病的干预治疗效果。为解决上述问题，越来越多的研究开始聚焦益生菌的封装。随着纳米技术的进步，纳米材料因其良好的生物相容性和响应环境性，常用于智能递送系统的开发。纳米纤维、纳米颗粒和纳米复合材料用作为活益生菌的递送系统时，具有许多优势，如高效的包封、位点特异性递送、控制释放及提高细菌细胞在制造、储存和体内应用过程中的稳定性。

目前，针对益生菌封装领域的研究屡见不鲜。但大多数此方面的综述类文献主要关注不同包封方法对益生菌在胃肠道耐受性、存活率，以及生物活性的改善，忽略了改造后的细菌对胃肠道产生的影响以及其体内作用机制。在这篇文章中，我们主要针对口服益生菌及其衍生纳米药物对肠屏障功能的修复和稳态调节作用进行总结和概述，即在介绍不同益生菌包封方法的同时，重点阐述纳米封装益生菌的体内运输、选择性定植、靶向释放等关键过程，强调益生菌纳米材料和机体肠屏障之间相互作用的紧密联系关系，突出益生菌对肠道化学屏障、机械屏障、生物屏障和免疫屏障的调节机制，揭示益生菌纳米药物针对不同肠道疾病的作用机理和治疗效果。该工作对深入探究益生菌高效利用、调节肠屏障稳态和恢复肠道健康方面有实际且深远的意义。

图1 基于各种纳米材料的益生菌封装技术

图2 TA和多糖对胶囊化益生菌的选择性定植

图3 基于氨基酸及其衍生物和生物膜胶囊化益生菌的选择性定植

图4 益生菌修复四层肠道屏障的机制

第一作者

王晓晨，女，西北大学食品科学与工程学院2021级在读硕士研究生，主要研究方向为基于肠道微生态靶点的代谢病干预；肠道疾病分子基础；活性成分肠道精准靶向递送。目前参与科研项目5 项，包括国家重点研发计划、国家自然基金、陕西省农业科技创新项目等，发表SCI一区论文3 篇。

通信作者

骆艳娥，女，西北大学食品科学与工程学院三级教授，博士生导师，长期致力于食品微生物与健康领域的研究，擅长微生物代谢调控、营养素功效挖掘及微生态健康研究。现主持陕西省重点研发计划项目1 项；已主持完成国家重点研发计划课题1 项、国家自然科学基金项目2 项、陕西省及西安市科技计划项目6 项。以第一作者和通信作者在《Biotechnology Advance》《Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety》《Critical Review in Food Science and Nutrition》《Food Chemistry》《Food Research International》《International Journal of Biological Macromolecules》等权威期刊发表研究论文50余篇；授权发明专利1 件；获国家技术发明奖二等奖1 项、陕西省科学技术奖一等奖2 项、陕西省专利奖一等奖1 项及第十三届陕西青年科技奖。

Research advances on encapsulation of probiotics with nanomaterials and their repair mechanisms on intestinal barriers

Xiaochen Wanga,1, Mengxi Yua,1, Jianming Yea,1, Ting Liua, Lijuan Jiana, Xiaoyan Zhengb, Yuan Wanga,c,d, Wei Songa,c,d, Yane Luoa,c,*, Tianli Yuea,c,d

a College of Food Science and Technology, Northwest University, Xi'an 710069, China

b College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi'an 710069, China

c Laboratory of Nutritional and Healthy Food-Individuation Manufacturing Engineering, Xi'an 710069, China

d Research Center of Food Safety Risk Assessment and Control, Xi'an 710069, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Probiotics participate in various physiological activities and contribute to body health. However, their viability and bioefficacy are adversely affected by gastrointestinal harsh conditions, such as gastric acid, bile salts and various enzymes. Fortunately, encapsulation based on various nanomaterials shows tremendous potential to protect probiotics. In this review, we introduced some novel encapsulation technologies involving nanomaterials in view of predesigned stability and viability, selective adhesion, smart release and colonization, and efficacy exertion of encapsulated probiotics. Furthermore, the interactions between encapsulated probiotics and the gastrointestinal tract were summarized and analyzed, with highlighting the regulatory mechanisms of encapsulated probiotics on intestinal mechanical barrier, chemical barrier, biological barrier and immune barrier. This review would benefit the food and pharmaceutical industries in preparation and utilization of multifunctional encapsulated probiotics.

Reference:

WANG X C, YU M X, YE J M, et al. Research advances on encapsulation of probiotics with nanomaterials and their repair mechanisms on intestinal barriers[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(6): 3095-3109. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250246.

本文编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

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